Semiconductor Laser: loại thiết bị, nguyên tắc điều hành, việc sử dụng

Laser bán dẫn là máy phát điện lượng tử dựa bán dẫn vừa tích cực, trong đó khuếch đại quang bằng bức xạ cưỡng bức được tạo ra tại quá trình chuyển đổi giữa các mức năng lượng lượng tử ở nồng độ cao của các hạt mang điện tự do trong khu vực.

Bán dẫn laser: nguyên tắc hoạt động

Thông thường, phần lớn các electron nằm trên mức hóa trị. Trong cách tiếp cận năng lượng photon vượt khe hở năng lượng, một chất bán dẫn, electron đi vào tình trạng kích thích, và phá vỡ vùng cấm, di chuyển thành một khu vực tự do, tập trung ở mép dưới của nó. Đồng thời, một lỗ hình thành ở mức hóa trị, tăng đến biên giới trên của nó. Các electron trong các khu vực tự do tái hợp với lỗ, tỏa ra năng lượng bằng với năng lượng của khu vực vỡ, dưới dạng các photon. Tái tổ hợp có thể được tăng cường bởi các photon với mức năng lượng đủ. Mô tả số tương ứng với chức năng phân phối Fermi.

thiết bị

Các thiết bị laser bán dẫn là một laser diode bơm electron năng lượng và lỗ hổng trong khu vực p-n-chuyển tiếp - các điểm tiếp xúc với p-bán dẫn dẫn điện và n-type. Hơn nữa, có những laser bán dẫn với đầu vào năng lượng quang học trong đó chùm tia được hình thành bởi sự hấp thụ photon laser thác ánh sáng và lượng tử, mà là dựa trên các hiệu ứng chuyển tiếp trong khu vực này.

cấu trúc

hợp chất điển hình được sử dụng trong laser bán dẫn và các thiết bị quang điện tử khác, như sau:

• gallium arsenide;
• gallium phosphide;
• gallium nitride;
• phosphide indi;
• gallium arsenide indium;
• arsenide nhôm gallium;
• gallium-indium gallium nitride-;
• phosphide, gallium-indi.

bước sóng

Các hợp chất này - bán dẫn trực tiếp khoảng cách. Gián tiếp (silicon) không phát ra ánh sáng có đủ lực lượng và hiệu quả. Bước sóng của bức xạ của laser diode phụ thuộc vào năng lượng của năng lượng photon tiếp cận rộng vùng cấm của hợp chất cụ thể. Khoảng cách ban nhạc hợp chất bán dẫn năng lượng 3 và 4 thành phần có thể liên tục thay đổi trên một phạm vi rộng. Tại AlGaAs = Al _x Ga _1-x As, ví dụ, tăng hàm lượng nhôm (tăng x) có tác dụng tăng trong khe hở năng lượng.

Trong khi các laser bán dẫn phổ biến nhất hoạt động ở phần hồng ngoại gần của quang phổ, một số phát ra màu đỏ (gallium indium phosphide), màu xanh hoặc màu tím (gallium nitride) màu sắc. tia laser hồng ngoại trung bình bán dẫn (selenua chì) và laser tầng lượng tử.

bán dẫn hữu cơ

Bên cạnh đó các hợp chất vô cơ trên có thể được sử dụng và hữu cơ. công nghệ phù hợp vẫn đang được phát triển, nhưng sự phát triển của nó hứa hẹn sẽ làm giảm đáng kể chi phí sản xuất của laser. Cho đến nay, chỉ có phát triển laser hữu cơ với đầu vào năng lượng quang học và bơm điện hiệu suất cao vẫn chưa đạt được.

loài

Bởi một đa số laser bán dẫn với các thông số khác nhau và giá trị ứng dụng.

điốt laser nhỏ tạo ra một chùm bức xạ cơ khí chất lượng cao có dải công suất từ vài 100-500 milliwatt. chip diode laser là một tấm hình chữ nhật mỏng, mà đóng vai trò như một ống dẫn sóng, kể từ khi bức xạ giới hạn trong một không gian nhỏ. Tinh thể pha tạp với cả hai bên để tạo ra một pn-chuyển đổi của một vùng rộng lớn. Kết thúc đánh bóng tạo ra một cộng hưởng quang học của một Fabry - Perot giao thoa kế. Photon đi qua khoang gây ra bức xạ tái tổ hợp sẽ tăng, và sẽ bắt đầu thế hệ. Chúng được sử dụng trong con trỏ laser, CD- và DVD-người chơi, cũng như cáp quang.

laser công suất thấp và laser rắn với một khoang bên ngoài để tạo ra các xung ngắn có thể đồng bộ hóa các sự kiện.

laser bán dẫn với một khoang bên ngoài bao gồm một diode laser, mà đóng một vai trò trong các thành phần của mức tăng trung bình hơn laser cộng hưởng. Có khả năng thay đổi bước sóng và có một ban nhạc phát thải hẹp.

laser Injection là khu vực bán dẫn của bức xạ trong một băng rộng, có thể tạo ra một sức mạnh chùm chất lượng thấp của một vài Watts. Nó bao gồm một lớp tích cực mỏng xử giữa p và n lớp, tạo thành một dị thể kép. Cơ chế của sự giam cầm của ánh sáng theo hướng bên là mất tích, mà kết quả trong tính elíp chùm cao và dòng ngưỡng quá cao.

mảng diode mạnh mẽ, bao gồm một loạt các điốt, băng thông rộng, có khả năng tạo ra một chùm năng lượng chất lượng tầm thường của hàng chục watt.

mảng hai chiều mạnh mẽ của điốt có thể tạo ra một sức mạnh của hàng trăm ngàn watt.

Bề mặt phát laser (VCSEL) phát ra ánh sáng chất lượng chùm đầu ra trong vài milliwatt vuông góc với tấm. Trên bề mặt bức xạ của gương cộng hưởng được áp dụng theo hình thức lớp trong dynes ¼ sóng với nhau chỉ số khúc xạ. Trên một chip duy nhất có thể được thực hiện vài trăm laser, mà mở ra khả năng sản xuất hàng loạt.

C VECSEL Laser đầu vào năng lượng quang học và một cộng hưởng bên ngoài khả năng tạo ra một chùm điện chất lượng tốt của một vài watt tại một khóa chế độ.

laser bán dẫn công việc kiểu tầng lượng tử dựa trên hiệu ứng chuyển tiếp trong các băng tần (trái ngược với interband). Các thiết bị này phát ra ở khu vực giữa quang phổ hồng ngoại, đôi khi trong phạm vi terahertz. Chúng được sử dụng, ví dụ như máy phân tích khí.

Bán dẫn laser: các ứng dụng và các khía cạnh chính của

Cao sức mạnh diode laser với cao bơm điện ở điện áp vừa phải được sử dụng như phương tiện có hiệu quả cao cung cấp năng lượng laser trạng thái rắn.

laser bán dẫn có thể hoạt động trong một phạm vi rộng lớn của các tần số trong đó bao gồm các thể nhìn thấy, gần hồng ngoại và trung phần hồng ngoại của quang phổ. thiết bị tạo ra để thay đổi cũng izducheniya tần số.

điốt laser có thể nhanh chóng chuyển đổi và điều chỉnh sức mạnh quang được sử dụng trong cáp quang đường dây thông tin liên lạc phát.

Những đặc điểm này đã làm cho laser bán dẫn là công nghệ loại quan trọng nhất của maser. Chúng được sử dụng:

• một cảm biến từ xa, pyrometer, đo độ cao quang, Rangefinders, điểm tham quan, chụp ảnh toàn;
• trong các hệ thống truyền dẫn quang sợi và lưu trữ dữ liệu, hệ thống thông tin liên lạc chặt chẽ;
• máy in laser, máy chiếu video, con trỏ, máy quét mã vạch, máy quét hình ảnh, CD-players (DVD, CD, Blu-Ray);
• trong các hệ thống an ninh, mật mã lượng tử, tự động hóa, các chỉ số;
• trong đo lường quang học và quang phổ;
• trong phẫu thuật, nha khoa, thẩm mỹ, điều trị;
• lọc nước, xử lý vật liệu, bơm laser trạng thái rắn, kiểm soát các phản ứng hóa học trong phân loại công nghiệp, máy móc công nghiệp, hệ thống đánh lửa và các hệ thống phòng không.

đầu ra xung

Hầu hết các laser bán dẫn tạo ra một chùm liên tục. Do thời gian ngắn cư trú của các electron ở mức dẫn họ không phải là rất phù hợp để tạo ra một xung Q-switched, nhưng chế độ bán liên tục của các hoạt động có thể làm tăng đáng kể sức mạnh máy phát lượng tử. Bên cạnh đó, laser bán dẫn có thể được sử dụng để tạo ra các chế độ khóa siêu ngắn xung hoặc chuyển đổi của tăng. Công suất trung bình các xung ngắn, thường giới hạn trong một vài milliwatt trừ laser VECSEL-bơm quang học, trong đó công suất đầu ra đo xung pico giây với một tần số trong hàng chục gigahertz.

Điều chế và ổn định

Ưu điểm của electron ngắn cư trú trong vùng dẫn laser bán dẫn là khả năng điều chỉnh tần số cao có VCSEL-laser vượt quá 10 GHz. Nó đã được sử dụng trong truyền dữ liệu quang học, quang phổ, ổn định laser.